Presentación del ITSon

Instituto Tecnológico de Sonora
Departamento de Ingeniería Eléctrica
y Electrónica
Dr. José Antonio Beristáin Jiménez
Emailto: [email protected]
Contenido
•
El Instituto Tecnológico de Sonora
•
El cuerpo académico de utilización de la energía
•
Laboratorio de investigación
electrónica de potencia (LIAPEP)
•
Maestría en ciencias de la ingeniería
•
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo externo
•
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo interno
•
Proyectos con apoyo interno en desarrollo
•
Proyecto con fondos externos en desarrollo
en
aplicaciones
de
El Instituto Tecnológico de Sonora
• Ubicación
• Sonora: segundo estado más
grande de la república mexicana
(179 355 km2)
•Alberga parte del desierto de
Sonora
•Ciudad Obregón: principal ciudad
del sur del estado de Sonora.
El Instituto Tecnológico de Sonora
•
Población estudiantil: 15, 492
alumnos de los cuales 436
están
matriculados
en
programas de posgrado.
•
Cuatro Campus en tres
ciudades del sur del estado de
Sonora: Obregón, Nainari,
Navojoa y Guaymas.
•
Oferta educativa: 23 programas
educativos de licenciatura, 11
programas de maestría y tres
programas de doctorado.
Cuerpo Académico de Utilización de la Energía
• Integrantes del Cuerpo Académico de Utilización de la Energía:
–
–
–
–
Dr. Javier Pérez Ramírez (Doctor por la UASLP)
Dr. Jesús Héctor Hernández López (Doctor por el CINVESTAV GDL)
Dr. Armando Ambrosio López (Doctor por el CINVESTAV GDL)
Dr. José Antonio Beristáin Jiménez (Doctor por la UPC)
• Líder del cuerpo académico: Dr. Javier Pérez Ramírez
• Cuerpo académico reconocido por PRODEP como en consolidación
• Línea de generación y aplicación del conocimiento: calidad de la
energía eléctrica
Laboratorio de Investigación en Aplicaciones de
Electrónica de Potencia (LIAPEP)
• Ubicado en el ITSON
Campus Nainari
• Coordinadores del
laboratorio: Dr. Javier
Pérez Ramírez y Dr.
José Antonio Beristáin
Jiménez
• Capacidad para 12
Tesistas y 2 profesores
visitantes
Maestría en Ciencias de la Ingeniería
• Orientación: investigación
• Nivel PNPC: reciente creación
• Líneas de Generación y Aplicación del Conocimiento:
– Ciencias de la computación
– Control y sistemas
• Materias de Electrónica de potencia en la LGAC de control y sistemas
– Electrónica de potencia
– Filtros activos de potencia
– Convertidores Aplicados a Energías Renovables
http://www.itson.mx/oferta/mci/Paginas/mci.aspx
Maestría en Ciencias de la Ingeniería
Tesistas de maestría en la LGAC de calidad de la energía
• Ing. Omar González Salazar
Tesis: Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica con
compensación del factor de potencia y armónicos utilizando un
convertidor puente H.
• Ing. Obed Ochoa Robles
Tesis: Inversor bidireccional con aislamiento en alta frecuencia para
sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica.
Historial de proyectos del CA con apoyo externo
•
Nombre
del
proyecto:
Optimización de las instalaciones
eléctricas y ahorro de energía en
el Aeropuerto Internacional de
Cd. Obregón, Sonora
•
Fondo: Fondo Sectorial de
Investigación para el Desarrollo
Aeroportuario y la Navegación
Aérea
•
Objetivo: Realizar un estudio de
la calidad y uso eficiente de la
energía
eléctrica
en
el
Aeropuerto Internacional de
Ciudad Obregón, Sonora.
Historial de proyectos del CA con apoyo externo
•
Nombre del proyecto:
Museo
Itinerante para el uso eficiente de la
energía eléctrica
•
Fondo: Fondo mixto CONACYTGobierno del estado de Sonora
•
Objetivo:
Realizar un museo
itinerante para la niñez Sonorense que
aborde los temas de uso eficiente de
la energía eléctrica y el impacto del
uso de las energías renovables
Proyectos de investigación y desarrollo recientes con
apoyo interno
• Instalación de un sistema
fotovoltaico interconectado a
la red eléctrica de 1.5 kWp
en el Instituto Tecnológico de
Sonora.
• Objetivo: Implementación de
un sistema de generación
fotovoltaico interconectado a
la red eléctrica de 1.5 kWp
como plataforma de prueba
de interfaces basadas en
electrónica de potencia.
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo interno
•
•
Nombre del proyecto: Propuesta de
una técnica de modulación para
convertidores multinivel híbridos de
celdas en cascada
Objetivo: Proponer una técnica de
modulación híbrida que permita
eliminar armónicos de baja frecuencia
en
convertidores
multinivel
asimétricos (híbridos) en cascada,
que sirva tanto para convertidores
binarios como trinarios, sin importar el
número de celdas.
η −1
1
η ∈ {2, 3}
η
1
η
1
η
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo interno
•
Nombre del proyecto: Propuesta de una técnica de modulación para
convertidores multinivel híbridos de celdas en cascada
η −1
1
η ∈ {2,3}
η
1
η
1
η
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo
interno
•
Nombre del proyecto: Propuesta de una técnica de modulación para convertidores
multinivel híbridos de celdas en cascada
Formas de onda del convertidor multinivel de
puentes H de tres celdas en cascada modificado
para m=1 , donde m es el índice de
modulación.
Proyectos de investigación y desarrollo en proceso con apoyo
interno
• Estudio de un SVC utilizando interruptores estáticos
bidireccionales en sistemas eléctricos industriales
• Estudio de filtros pasivos de potencia de corrientes armónicas
• Estudio de convertidores estáticos para lámpara de LEDS
Proyectos de investigación y desarrollo con apoyo
externo
• Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas.
• Convocatoria: Atención a Problemas Nacionales de CONACYT
• Periodo: Octubre de 2014 a Octubre de 2016.
• Metas: 1 prototipo de 1 kWp en 2015. Un prototipo de 5 kWp en 2016.
• Avance: Validación de una metodología para el desarrollo del prototipo
mediante simulación utilizando psim.
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Potencial solar en Sonora, México: más de 6 horas pico solares (kWhm-2/day)
Fuente: National Energies Inventory
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Soluciones para problemas de deficiencias en las redes eléctricas
– Mejoramiento de la calidad de la energía eléctrica
• Corrección del factor de potencia
– Fuentes de energías renovables
• Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica
• Aplicaciones donde la generación fotovoltaica conectada a la red
eléctrica y la compensación del factor de potencia emergen
Power converters
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Descripción del sistema
iPV
PV
array
Irradiance
Convertidor puente H
iE
Q1
PPV
+
vdc C
-
D1
D3
Q2
D2
iL
r
L
+
v
- inv
R
if
Q4
ig
vg
Linear
loads
D4
Voltage and
current sensing
Transistor driver
PWM
P → Ángulo de fase de vinv
Q → Amplitud de vinv
h → Forma de onda de vinv
PQ
Q3
Control
scheme
Reference
aquirement
Compensador -FV
Nonlinear
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Aspectos importantes
– Criterios de dimensionamiento de elementos pasivos
– Descripción de la inyección de potencia fotovoltaica
iPV
iE
PV array
Q1
PPV
Irradiance
+
vdc C
-
PQ
Q3
D1
D3
L
+
v
- inv
R
Q2
D2
Q4
iL
r
if
ig
vg
Linear
loads
D4
Voltage and
current sensing
Transistor driver
PWM
Control
scheme
Signal
aquirement
Nonlinear
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Modelo
Dimensionamiento
de la inductancia
Dimensionamiento
del capacitor
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Proceso de modelado
Inverter
Inverter
+
vdc
-
iE
Q1
Q3
D1
Q2
D2
D3
Q4
if
+
vinv
-
D4
+
vdc
-
if
iE
+
vinv
-
SW1
SW2
iE = SWi f vinv = SWvdc
SW=SW1− SW2
Inverter
+
vdc
-
iE
SWif
SWvdc
if
+
vinv
-
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Modelo conmutado
iE
iPV
+
vdc
-
iC
iR
C
R
+
vinv
SWif
1
= ( − ri f + SWvdc − vg )
dt
L
di f
L
Inverter
SWvdc
r
if
vg
Loads
-
dvdc 1 
1

=  − SWi f − vdc + iPV 
dt
C
R

Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Proceso de modelado
Inverter
Inverter
+
vdc
-
iE
Q1
Q3
D1
Q2
D2
D3
Q4
if
+
vdc
-
+
vinv
-
D4
if
iE
+
vinv
-
SW1
SW2
iE = SWi f vinv = SWvdc
SW=SW1− SW2
Inverter
+
vdc
-
iE
SWif
Inverter
SWvdc
if
+
vinv
-
u(t)=avg(SW)
+
vdc
-
iE
u(t)if
u(t)vdc
if
+
vinv
-
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Modelo promedio
iE
iPV
+
vdc
-
iC
iR
C
R
+
vinv
u(t)if
1
= ( −ri f + u (t )vdc − vg )
dt
L
di f
L
Inverter
u(t)vdc
r
if
vg
Loads
-
dvdc 1 
1

=  −u (t )i f − vdc + iPV 
dt
C
R

Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Dimensionamiento del capacitor
dvdc 1 
1

=  −u (t )i f − vdc + iPV 
dt
C
R

Solving for vdc
dc side
iPV
Pmax

Q
ω∆vdcVg cos  arc tan  max
 Pmax


 

Q max
C=

Q
ω∆vdcVg sin  arc tan  max
 Pmax


 

C=
+
vdc
-
iE
iC
iR
C
R
u(t)if
vdc =
Inverter
mI f
4ωC
sin(2ωt ) + Vɶdc
dc voltage ripple
magnitude
u(t)vdc
∆vdc =
2mI f
4ωC
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Inyección de potencia fotovoltaica
El esquema de control mantiene fijo el voltaje del bus de cd
La señal de control u(t) se auto ajusta para inyectar la potencia activa
disponible en el arreglo fotovoltaico
iPV
PV array
Q1
PPV
D1
Pinv
+
vdc C
-
P-Pinv
Q3
D3
+
v
- inv
R
Q2
D2
Q4
P=
r
L
if
mvdcVg
2ω L
vg
D4
Output voltage Control signal
vdc
Vdc*
+
PI
2/Vg
cos(ωt) ih*
id* ++ if*+
+
iq*
Iq*
if
sin(ωt)
×
×
...
PI
uu(t)
(t ) = m cos(ωt + α )
sin(α )
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Generación de referencias y control
• Control en cascada
vdc
Vdc*
+
PI
2/Vg
cos(ωt) ih*
id* ++ if*+
× + iq* Iq*
× if
sin(ωt)
PI
u(t)
• Transformación dq monofásica
iLoad
iLoad+90°
id
dq
iq
-+
LPF
-+
LPF
dq−1
ih*
ih+90°
Iq*
LPF
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Parámetros de simulación
Parámetro
Vg
Vdc*
ω
∆vdc
L
C
Fs
Qmax
Gain 1
Time c. 1
Valor
180 V
360 V
120π rad/s
10% of Vdc*
Parámetro
CB
LS
Si
Pac
Valor
1 mF
400 µH
1000 W/m2
1 kW
4.1 mH
4 576 µF
9600 Hz
Pdc
QL
PV capacity
1 kW
3 kvar
5 kWmax at 1000 W/m2
10 kvar
0.08
0.00009
Pmax
5 kW
Gain 2
20
Time c. 2
0.1
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Validación del dimensionamiento y control
iPV
PV
array
active power (W)
(a)
reactive power (var)
12000
10 kvar
10000
Q1
D1
8000
6000
+
vdc C
-
5 kW
4000
2000
D3
Q2
Q4
dc link voltage, vdc (V)
reference dc link voltage, Vdc*, (V)
(b)
vdc
360 V
300
Vdc*
∆vdc=37 V
200
-
PI
cos(ωt) ih*
id* ++ if*+
2/Vg
+
iq*
Iq*
if
sin(ωt)
×
×
100
0
+
0
0.5
1
time (s)
1.5
2
r
if
vg
D4
-2000
400
L
+
v
- inv
R
D2
0
PQ
Q3
PI
u(t)
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Inyección de potencia fotovoltaica
6000
active power (W)
(a)
750 W/m2
4000
1000 W/m2
500 W/m2
500 W/m2
250 W/m2
2000
iPV
0 W/m2
0
reference dc link voltage, Vdc*, (V)
(b)
dc link voltage, vdc (V)
-2000
PV
array
Q1
D1
+
vdc C
-
400
Q3
360 V
200
100
0
0
2
4
6
time (s)
8
10
12
P
L
+
v
- inv
R
Q2
D2
300
D3
Q4
D4
r
if
vg
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Inyección de
potencia activa
(b)
reactive power on
compensator (var)
6000
5 kW
5 kW
4000
3 kvar
2000
0 var
0
-2000
reference dc link
voltage, Vdc* ((V)
Regulación del
bus de cd
(a)
dc link voltage, vdc (V)
Operación
simultánea
active power on
compensator (W)
• Tres modos de operación
400
360 V
300
200
100
0
0
1
• Inyección de
potencia activa
• Compensación de
potencia reactiva
2
time (s)
3
4
•
Inyección de
potencia activa
Compensación de
potencia reactiva
Compensación de
armónicos de
corriente
•
•
5
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Inyección de energía solar fotovoltaica
grid voltage, vg (V)
grid current, ig (A)
200
100
...
0
PV
array
-100
PV power (W
W)
grid reactive power ((var)
6000
control signal, u(t)
scaled grid voltage, vg/Vg
-200
1
Q1
D1
+
vdc C
-
4000
−400 W
2000
5 kW
...
0 var
PQ
Q3
D3
L
+
v
- inv
R
Q2
D2
Q4
if
D4
0 var
0.5
Auto ajuste de la
fase de u(t)
...
-0.5
-1
0.9
0.92
0.94
time (s)
1.96
1.98
2
iL
r
0
0
PloadsQloads
ig
vg
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Etapa de compensación de potencia reactiva
grid voltage, vg (V)
grid current, ig (A)
200
100
PF=0.7897
Corriente en fase
con el voltaje
the voltage
PF=0.9999
...
0
-100
PV power (W
W)
grid reactive power ((var)
6000
control signal, u(t)
scaled grid voltage, vg/Vg
-200
1
4000
2000
PV
array
5 kW
5 kW
...
3 kvar
Q1
D1
+
vdc C
-
0 var
0
PQ
Q3
D3
L
+
v
- inv
R
Q2
D2
Q4
...
if
D4
Ajuste de la fase
u(t)
-0.5
-1
2.9
2.92
2.94
time (s)
3.96
3.98
4
iL
r
0.5
0
PloadsQloads
ig
vg
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
• Etapa de compensación de armónicos
grid voltage, vg (V)
grid current, ig (A)
200
PF=0.937
100
PF=0.999
...
0
-100
PV
array
THD=37.374%
THD=3.771%
PV power (W
W)
grid reactive power ((var)
control signal, u(t)
scaled grid voltage, vg/Vg
6000
5 kW
2000
PQ
Q3
D1
+
vdc C
-
-200
4000
Q1
D3
L
+
v
- inv
R
Q2
D2
Q4
0 var
if
D4
0 var
0
1
0.5
Cambios en la
forma de onda de
u(t)
...
0
-0.5
-1
4.9
4.92
4.94
5.96
time (s)
5.98
6
iL
r
5 kW
...
PloadsQloads
ig
vg
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
(a)
grid current,
ig (A)
40
20
0
-20
-40
(b)
loads current
current,
iLoad (A)
• Etapa de compensación de armónicos
40
0
-40
PV
array
(c)
grid current,
ig (A)
30
20
10
0
(d)
loads current,
iLoad (A)
4.9
50
40
30
20
10
0
4.92
4.94
time (s)
4.96
4.98
C
D2
[60 , 33.1936]
[300 , 7.09386]
[180 , 9.32547]
[540 , 2.29381]
[420 , 4.53893]
400
600
frequency (Hz)
800
D3
R
Q2
[300 , 7.09386]
[540 , 2.29381]
[420 , 4.53893]
[180 , 9.32547]
200
Q3
D1
5
[60 , 33.1936]
0
Q1
1000
L
if
Q4
D4
iL
r
ig
vg
loads
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Aspectos importantes en los resultados de simulación
•
Se verificó que el inversor de potencia se puede utilizar simultáneamente para:
– Inyección de potencia fotovoltaica a la red eléctrica
– Compensación de potencia reactiva
– Compensación de armónicos de corriente
•
Se estableció un criterio de dimensionamiento de los elementos pasivos del
compensador fotovoltaico
•
Se mostró que el esquema de control utilizado para regular el bus de cd se auto
ajusta para permitir inyectar la potencia activa a la red
•
Los resultados de simulación permiten validar la metodología
Inyección de energía solar fotovoltaica a la red eléctrica a través de un
compensador estático de VAR´s con funciones ampliadas
Siguiente etapa del proyecto
•
Construcción y puesta en marcha de dos prototipos experimentales: un prototipo
de 1 kWp y un prototipo de 5 kWp
Trabajos derivados del proyecto
•
Experimentación con inversores con aislamiento en alta frecuencia y multinivel
•
Experimentación con algoritmos del seguimiento del punto de máxima potencia
para el arreglo fotovoltaico
Gracias por su atención
Contacto: [email protected]